CO2预疏通含碳酸盐超埋深砂岩铀矿层探讨

程 威，何 柯，胡柏石，李建华，刘国宏，周 越

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

CO2+O2浸出工艺绿色环保，目前已成为含碳酸盐深部资源地浸开采技术的首选。某矿床埋深在700 m以上，含矿砂岩层碳酸盐含量(以CO2计)超过1%，地浸采铀现场抽水试验测得渗透系数为0.47～0.56 m/d，该渗透性较低，有必要改善矿床渗透性，为后续CO2+O2浸出采铀创造适宜条件。

笔者对CO2预疏通含碳酸盐铀矿层进行了实验室研究和现场初步应用，取得了较为明显的效果，并对结果进行了分析和讨论。

1 矿床特征

1.1 矿石和矿层水化学组成

目标矿层埋藏深度为710～740m，取样深度697～738 m，如图1所示。将取样按要求混合制备疏通试验用矿样，分析矿样的化学组成发现，矿石中铀主要以还原态存在，四价铀质量占比为83%，Ca和CO2质量分数分别为1.21%和1.31%，见表1。

图1 现场取样深度示意

表1 矿样主要元素化学组成 %

对现场浸出单元进行抽注液循环，采集矿层水样品，矿层水化学组成见表2。

表2 矿层水化学组成分析结果 mg/L

实践证实，通过向补加碳酸氢铵的注液中通入一定量CO2，调节地下水pH在本底值[5]附近，可以达到缓解地浸采铀中化学堵塞的目的。石油行业利用CO2溶于水的酸化作用提高储层渗透性的研究发现，砂岩和白云岩渗透性均有不同程度提高[6]。

1.2 矿石形貌及铀赋存状态

选取特征完整岩心样品做岩矿鉴定，矿石特征形貌如图2所示，铀赋存状态如图3所示。

岩矿鉴定认为：矿物主要组成为石英，质量分数为82.08%；黏土矿物质量分数为16.7%；易浸铀矿物，如沥青铀矿、铀石等多生长于造岩矿物石英、钾长石以及黏土矿物中，少量颗粒与黄铁矿伴生；占总铀质量分数0.01%～0.54%的铀以类质同像形式存在于独居石中，属难浸铀。

a—典型的钾长石淋滤；b—粒间六方板状和层片状高岭石。图2 主要矿物组成形貌

a—黏土矿物中的沥青铀矿；b—钾长石中的铀石。图3 铀矿物赋存状态

1.3 渗透系数测定

含矿层埋藏深度为710～740 m，静水位67～82 m，地下水温度12～15 ℃。抽水试验结果见表3。

表3 抽水试验参数

2 实验室研究

2.1 试验方法

图4 CO2预疏通试验装置示意

2.2 流速变化特征

试验流速变化特征如图5所示。

图5 流出液流速与累计液固比的关系

从图5看出：初期流出液流速基本稳定，达到1.0 mL/min，在累计液固比达0.6 mL/g时，该部分流出液为疏通液替代原矿石柱装矿时含水量；当累计液固比达0.75 mL/g以后，流速迅速提高到1.5 mL/min以上；当累计液固比达1.0 mL/g以后，流速稳定在1.6 mL/min，流速提高60%。

2.3 离子浓度变化特征

流出液离子浓度变化如图6所示。

图6 流出液主要离子净浓度与累计液固比关系

2.4 铀浸出特性

(1)

(2)

为将矿层渗透性敏感的Ca、Mg离子溶出，减少预疏通过程中铀的溶出和沉淀积聚，保证正式浸出时铀浓度水平，研究了不添加氧化剂和添加氧化剂时，预疏通过程U的溶出率，试验结果如图7所示。

图7 U溶出率和累计液固比关系

图7表明，疏通过程不外加氧化剂，铀溶出量只有8.4%；与之相比，以O2作为氧化剂时有30%铀溶出，氧化会大幅增加铀溶出量。

3 现场试验

3.1 现场试验结果与分析

实验室试验结果表明，CO2预疏通能够携带出部分矿层中Ca、Mg离子，从而提高试验矿石柱渗透性。通过现场试验，研究实际钻孔抽注液量和注液压力的变化来验证CO2预疏通的效果。

对现场7注2抽的2单元进行疏通试验。疏通液经抽孔抽出，于集液池沉淀并通过袋式过滤器过滤细微矿物颗粒后，矿层水于接近常压状态(混合压力0.3～0.5 MPa)下注入CO2(质量浓度300 mg/L)，然后经注孔注入矿层。

矿层首先在不加入任何物质的情况下进行抽注液循环，待流量稳定后，加入CO2，监测注液流量和注液压力变化。总注液流量和压力变化如图8、9所示。

图8 现场试验总注液流量与时间变化

图9 现场试验注液压力与时间变化

总注液流量和压力变化出现在CO2注入后5～6 d。按第17 d为CO2疏通生效的边界计，平均注液量和注液压力变化统计见表4。

表4 平均注液量和注液压力变化

从表4可见，注入CO2后，平均注液量增幅达到32%；平均注液压力降幅达到28%，疏通效果明显。

溶出的Ca、Mg离子可通过阳离子交换树脂吸附或反渗透等措施去除。除去金属离子的流出液，补加CO2后再返回地层，形成疏通循环[9]。

3.2 超深条件对CO2溶解影响

该矿床试验区段矿层埋深为710～740 m，静水位67～82 m，注液孔一般施加注液压力0.3～1.0 MPa，按照理论计算，目前过滤器位置平均压力约为7.15 MPa。在低压情况下，CO2溶解度符合亨利定律，其与压力成线性关系[10]；当压力超过1 MPa，其溶解度与压力关系逐渐偏离亨利定律，但仍呈现正相关性[11]。通过平衡液体闪蒸试验，可测定不同温度、不同压力条件下CO2在不同矿化度以及不同离子含量地层水中的溶解度[12]。在不同温度下，CO2溶解度与压力的关系如图10所示。

图10 不同温度下CO2溶解度与压力关系

一般认为CO2溶于水中后全部转换为H2CO3，H2CO3在水中主要发生一级解离，反应如下：

(3)

表5 常温不同压力下饱和注入CO2时纯水中各组分质量浓度

4 结论与建议

针对该超深矿床具有的地层压力和组成特性，经CO2预疏通实验室试验和现场验证试验研究，可以得到以下结论。

2)矿层埋深较深，渗透系数为0.47～0.56 m/d，存在渗透性改善需求。

3)采用CO2对目标矿层进行预疏通，实验室模拟试验可使流出液流速提高50%以上；现场验证试验发现，注液量增幅达到32%，注液压力降幅达到28%。试验表明，CO2预疏通对含碳酸盐砂岩铀矿层渗透性提高效果明显。

5)通过理论计算和分析，深部矿层产生的压力可使饱和注入的CO2溶解度和一级解离产生的离子浓度进一步提高，有利于增强疏通效果。因此，需要进一步研究高压下矿层CO2饱和注入的工艺方法。